高速轻载混合陶瓷电主轴的结构设计及动态性能研究

论文摘要

高速加工技术的迅猛发展和高速数控机床需求量的快速增长,对高速电主轴技术提出了新的要求和挑战。作为高速数控机床的核心部件,由于高速电主轴的转速和输出功率都急剧增大,采用新技术并研制新型的高速电主轴成为当前的主要任务;同时,分析高速电主轴的动态性能能为电主轴的使用和设计提供重要参考,因而显得不可或缺。本文选用混合陶瓷轴承作为主轴前后支撑,对高速轻载铣床用电主轴进行了结构设计;在Hertz空间接触理论的基础上,结合轴承拟动力学的分析方法,对主轴轴承进行了的动态性能分析;并以此为基础,根据有限单元法建立了轴承-转子系统的动力学模型,研究了影响主轴系统一阶临界转速和轴端振动量这两个参数的因素。具体工作如下:首先,利用机械设计相关知识,结合当前电主轴技术,设计了出额定转速为60,000r/min,额定输出功率为1.2kw的电主轴,设计内容包括主轴的轴承系统、电机系统、冷却系统和润滑系统等。其次,根据Hertz空间接触理论,分析了轴承内部的运动和受力,并在轴承拟动力学分析方法的指导下,利用Matlab数学软件,求解轴承内部的各种参数,并分析各参数对轴承的动态刚度和使用寿命的影响。最后,在第二部分内容的基础上,利用有限单元法建立了轴承—转子动力学模型,研究了主轴的结构参数和工作条件对电主轴一阶临界转速和轴端振动量的影响;并利用研究结果优化电主轴的结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 高速加工技术与高速电主轴
• 1.1.2 陶瓷轴承技术概述
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 高速电主轴的结构设计
• 2.1 结构设计概述
• 2.2 轴承系统方案设计
• 2.3 确定主轴结构参数
• 2.4 冷却系统方案设计
• 2.5 润滑系统设计
• 2.6 驱动系统设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 高速角接触陶瓷轴承动态性能分析
• 3.1 HERTZ 空间接触理论
• 3.1.1 轴承中的坐标系
• 3.1.2 Hertz 空间接触理论
• 3.1.3 求解Hertz 空间接触问题
• 3.2 动态性能分析的力学基础
• 3.2.1 滚珠运动分析
• 3.2.2 滚珠受力分析
• 3.2.3 轴承内部形变和位移
• 3.2.4 轴承平衡方程
• 3.3 轴承的动刚度
• 3.4 轴承寿命
• 3.5 程序流程图及验证算例
• 3.6 轴承动态性能分析
• 3.6.1 预载荷对轴承动态性能的影响
• 3.6.2 转速对轴承动态性能的影响
• 3.6.3 载荷对轴承动态性能的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 转子—主轴系统动态性能分析
• 4.1 主轴系统的基本假设及相关理论
• 4.2 轴承—转子系统的运动微分方程
• 4.3 轴承—转子系统的有限元模型
• 4.3.1 单元划分
• 4.3.2 单元的载荷列向量和位移列向量
• 4.3.3 单元刚度矩阵
• 4.3.4 单元质量矩阵
• 4.3.5 系统总刚度矩阵合成
• 4.3.6 总质量矩阵和载荷列向量、位移列向量的合成
• 4.3.7 轴承一转子系统运动微分方程的有限元法表示
• 4.4 运动微分方程的求解
• 4.4.1 转子系统的临界转速
• 4.4.2 转子系统的不平衡振动响应
• 4.4.3 Matlab 求解系统微分方程
• 4.5 转子—主轴系统动态性能分析
• 4.5.1 转速n 的影响
• 4.5.2 预载荷影响
• 4.5.3 轴承支撑之间跨距L 影响
• c 的影响'>4.5.4 轴端附件零件质量m_c的影响
• l 的影响'>4.5.5 轴端外伸长度L_l的影响
• a和径向载荷F_r的影响'>4.5.6 轴向载荷F_a和径向载荷F_r的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统结构优化
• 5.1 轴承系统优化
• 5.2 主轴结构参数优化
• 5.3 冷却系统优化
• 5.4 优化前后主轴性能对比
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢